初始含水率對風化砂改良膨脹土有荷膨脹率影響研究

楊 俊，劉世宜，張國棟，唐 云 偉，謝 支 鋼

（1.三峽大學 三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；3.宜昌市交通運輸局，湖北 宜昌 443000；4.小鴉一級公路改建工程項目部，湖北 宜昌 443100）

0 引 言

膨脹土是在自然地質過程中形成的一種工程性質極差的特殊黏土，在我國分布十分廣泛，主要由強親水性礦物伊利石和蒙脫石組成，具有多裂隙性、超固結性、強度衰減性以及顯著的脹縮特性，被譽為“工程中的癌癥”.膨脹土對路基的危害主要體現在其強烈脹縮特性上：吸水時路基發生膨脹，體積增大，造成路面的隆起開裂；失水時，體積收縮的同時產生干縮裂縫，嚴重影響了路基及路面的整體穩定性.膨脹土的特殊組成，導致其膨脹特性對初始含水率的變化尤為敏感，隨著初始含水率的變化，膨脹特性往往會發生較大的改變.關于膨脹土的膨脹變形隨初始含水率的變化規律，國內外學者進行了大量的試驗研究.章李堅等［1］通過對不同初始含水率下成都龍潭寺膨脹土脹縮特性的研究，發現隨著初始含水率的增加，試樣膨脹率呈非線性降低，當初始含水率達到其脹限，膨脹率降低幅度明顯減小.代啟亮等［2］研究了初始含水率對擾動土膨脹率的影響，發現有荷膨脹率及無荷膨脹率均隨著初始含水率的增大而呈冪函數或指數函數減小且初始含水率越小，試樣膨脹穩定時所需的時間越短.Lin等［3］發現膨脹土的有荷膨脹率與上覆荷載之間滿足指數函數關系.通過這些研究可以發現，大多數研究只是針對原狀土，對于改良膨脹土在不同初始含水率下的膨脹特性研究得較少.現行的路基規范明確規定，不得將膨脹土直接用作路基填料，只有進行改良處理才能使用［4］.在膨脹土眾多膨脹指標之中，有荷膨脹率是最具有工程指導意義的一項，表征在一定的上覆荷載及側限條件下，膨脹土吸水膨脹的強弱，能夠較為真實地模擬路基實際受荷狀態.因此研究不同初始含水率下改良膨脹土的有荷膨脹率具有十分重大的工程實際意義.

目前對膨脹土的處理多使用化學改良方法，例如在膨脹土中摻入石灰、水泥、粉煤灰等化學材料［5］.事實證明，化學改良后，膨脹土的膨脹特性有了顯著的改善，效果較好.但是化學改良也有著諸多不足，例如化學改良一般都具有時效性，隨著使用年限的增長，改良效果會逐漸降低，同時化學改良的工程投入費用也比較巨大［6－10］.針對化學改良方法的不足，本文采用摻風化砂這一物理手段對膨脹土進行改良處理，降低膨脹土的膨脹特性，著重探討風化砂摻量及不同的初始含水率對改良膨脹土有荷膨脹率的影響規律，為采用風化砂來改良膨脹土提供室內試驗依據.

1 試驗原材料

1.1 試驗用膨脹土

本次試驗取用的膨脹土來自湖北省宜昌市小鴉一級公路改建工程的K25＋000 點附近取土坑，顏色以灰白色為主，夾雜灰綠色土團粒.天然狀態下，含水量較高，黏性較大；干燥狀態時，裂隙廣泛發育.各項基本物理性質指標如表1所示.

表1 膨脹土的基本物理性質指標Tab.1 The basic physical property index of expansive soil

1.2 試驗用風化砂

本試驗所采用的風化砂（湖北省宜昌市小鴉一級公路改建工程K22＋000 點附近深度2～3 m），為淺黃色細砂，其基本物理性質指標及顆粒級配曲線分別見表2和圖1.

表2 風化砂基本物理性質指標Tab.2 The basic physical property index of weathered sand

圖1 風化砂顆粒級配曲線Fig.1 The grading curve of weathered sand particle

通過圖1可以發現，0.500～0.075mm 的風化砂含量達到了88.5%，不均勻系數2.84＜5，級配不良.

2 試驗方案

本試驗依照《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）的有關規定步驟來進行，重型標準擊實試驗采用干土法，測定有荷膨脹率時采用雙聯固結儀進行.文中風化砂的摻量指的是風化砂的質量占膨脹土與風化砂總質量的百分比.本次試驗將風化砂按質量比由0以10%的間隔增加到50%.按照規范的有關規定，依照室內重型標準擊實試驗得出最佳含水率，依次進行不同摻砂比例下的各個膨脹性指標試驗，探討風化砂摻量對改良膨脹土膨脹性指標的影響.在進行不同初始含水率下改良膨脹土的有荷膨脹率試驗研究時，不同比例風化砂改良膨脹土的混合料的初始含水率依次按照8%、10%、12%、14%、16%來 配 料［11－13］.試 驗開始之前，將風干的膨脹土與風化砂分別碾碎過2mm 標準篩，按照預定的風化砂摻入比例和上述初始含水率進行試樣制作，在塑料袋中密封24 h后，采用千斤頂進行靜壓制作試樣.制樣完畢后將樣品置于雙聯固結儀中，結合規范要求以及實際工程總路基土所受的上覆荷載，按照規范要求分別施加25.0kPa和50.0kPa上覆荷載，分析初始含水率對有荷膨脹率的影響規律.然后進行37.5kPa和75.0kPa下的有荷膨脹率試驗，對所得規律進行驗證.試驗時待試樣每h變形不超過0.01mm 時，向容器中注入蒸餾水，并始終保持水面超過土頂面約5mm，浸水后每隔2h測記百分表讀數一次，直至兩次差值不超過0.01mm 為止.本試驗分兩組進行平行試驗，對試驗結果進行分析，取合格的數據，計算其算術平均值，以此作為試驗的最終結果.

3 結果與分析

3.1 風化砂改良膨脹土標準擊實及膨脹率試驗

參考《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）中的要求，進行不同風化砂摻量下的重型擊實、自由膨脹率、無荷膨脹率、有荷膨脹率及膨脹力試驗，試驗結果見表3.

表3 風化砂改良膨脹土擊實指標及膨脹指標Tab.3 The compaction index and inflation index of weathered sand improved expansive soil

由表3中的數據可以看出：未經改良的膨脹土各項膨脹指標均較大，超過了規范中對路基填料的要求［14］.摻風化砂改良后膨脹指標均顯著降低，這說明摻風化砂可以有效抑制膨脹土的膨脹，且效果較好.其中風化砂摻量由0 增長至10%時，自由膨脹率、無荷膨脹率及膨脹力降低幅度最大；繼續加大風化砂的摻入比例，所有膨脹性參數的減小幅值均逐漸下降.膨脹土中摻入風化砂進行改良后，膨脹土擊實指標有較大的變化，其中最佳含水率隨著風化砂摻量的增加而逐漸減小，且降低幅度較為明顯，這是由于摻入風化砂后，土體內部孔隙增加導致保水性降低所致.

3.2 初始含水率對風化砂改良膨脹土有荷膨脹率影響

依據試驗得出的風化砂摻量及初始含水率制樣后，將試件置于雙聯固結儀中，進行上覆荷載25.0kPa和50.0kPa下的有荷膨脹率試驗，通過一系列的室內試驗研究，得到了不同初始含水率及不同風化砂摻量下膨脹土的有荷膨脹率，見表4和5.

表4 不同初始含水率及不同風化砂摻量下的有荷膨脹率（25.0kPa）Tab.4 The loaded expansion ratio under different initial water contents and weathered sand contents（25.0kPa）

表5 不同初始含水率及不同風化砂摻量下的有荷膨脹率（50.0kPa）Tab.5 The loaded expansion ratio under different initial water contents and weathered sand contents（50.0kPa）

有荷膨脹率α按下式計算：

式中：Rt為上覆荷載作用下試件膨脹穩定時的百分表讀數，mm；Rp為上覆荷載作用下儀器的變形量，mm；R0為施加上覆荷載前百分表讀數，mm；H0為試件初始高度，mm.

由表4、5可知：

（1）初始含水率顯著地影響了經風化砂改良后的膨脹土，其有荷膨脹率表現出明顯的改變.當增大混合料的初始含水率時，有荷膨脹率逐漸減小，這是由于初始含水率增加，土顆粒表面吸附的水膜變厚，導致的膨脹潛勢降低所致.

（2）初始含水率較低時所對應的有荷膨脹率遠大于最佳含水率狀態下所對應的值，這是因為初始含水率較低時，土顆粒處于較為干燥的狀態且周圍吸附的水膜較少，因而具有較大的膨脹潛勢.初始含水率由8%增長至最佳含水率時，有荷膨脹率降低幅度較大，其中當風化砂摻量為0、上覆荷載為25.0kPa時，有荷膨脹率降低最為顯著，達3.60%.由此可知，風化砂改良膨脹土路基壓實時，應嚴格控制壓實含水量.如果初始含水率大于最佳含水率，繼續增大初始含水率時，有荷膨脹率下降幅度逐漸減小，這是因為隨著含水率的增大，土顆粒逐漸吸水膨脹且表面的水膜厚度增加，致使膨脹潛勢不斷釋放，導致下降的幅度不斷減小.若持續增加初始含水率，有荷膨脹率已基本趨于穩定，產生這一現象的原因是：當初始含水率到達16%時，公共水膜較厚，土顆粒已處于基本飽和的狀態，在進行膨脹試驗前就已經充分吸水膨脹，因此本身所具有的膨脹潛勢很?。?5－16］.

（3）從表中可以發現，隨著摻砂比例的增大，有荷膨脹率隨初始含水率的變化逐漸趨于平緩，這是因為摻入風化砂之后，土體的孔隙比增加，保水性降低，使得土顆粒周圍的水膜厚度變化幅度不大，膨脹潛勢受初始含水率變化的影響較小.

從表中還可以看出，風化砂摻量一定時，有荷膨脹率α與初始含水率wi呈指數函數關系，回歸方程為

式中：A、B為擬合參數，具體見表6.

表6 不同風化砂摻量下有荷膨脹率與初始含水率指數關系的回歸參數A、B 及R2Tab.6 The regression parameters A，Band R2 between loaded expansion ratio and initial water content under different weathered sand contents

當初始含水率一定時，有荷膨脹率α隨風化砂摻量S的變化曲線如圖2所示.

圖2 有荷膨脹率隨風化砂摻量的變化曲線Fig.2 The relation curve between loaded expansion ratio and weathered sand content

由圖2可知：

（1）在相同的初始含水率狀態下，增加風化砂的摻量可以使有荷膨脹率不斷減小，且減小的幅度通常也比較大.這是因為風化砂摻入后，增大了顆粒間的嵌擠咬合力，抑制了膨脹的發生，同時土體孔隙率增加，減小了土顆粒表面的水膜厚度，膨脹潛勢降低，故有荷膨脹率大幅下降［5］，這說明摻風化砂可以有效抑制膨脹土的吸水膨脹.當風化砂摻量由0增長至10%時，有荷膨脹率降低幅度最大，其中在上覆荷載為50.0kPa，摻砂比例為10%時，降低幅度達到了1.88%.同時可以發現，50.0kPa下有荷膨脹率的降低幅度均大于25.0 kPa下的降低幅度.當風化砂摻量繼續增加時，有荷膨脹率降低幅度逐漸減小.

（2）若初始含水率較大，隨著摻入的風化砂含量的增大，混合料的有荷膨脹率漸漸趨于穩定，達到某一基本固定的值.產生這種變化的原因是，初始含水率過大，使得土顆粒已處于準飽和狀態，膨脹潛勢基本上都已釋放完全，此時土體本身的膨脹率就較低，風化砂摻量對其影響不大.

在非標準上覆荷載（37.5kPa和75.0kPa）作用下，對混合料的有荷膨脹率展開試驗，結果如表7、8所示.

表7 改變初始含水率下的有荷膨脹率（37.5kPa）Tab.7 The loaded expansion ratio under different initial water contents（37.5kPa）

表8 改變初始含水率下的有荷膨脹率（75.0kPa）Tab.8 The loaded expansion ratio under different initial water contents（75.0kPa）

從表7和8中的試驗數據可以看出，在非標準上覆荷載（37.5kPa和75.0kPa）作用下，風化砂改良膨脹土的有荷膨脹率隨初始含水率及風化砂摻量的變化規律與上文中所得出的結論相似：在同一風化砂摻量下，當初始含水率由8%增長至12%時，有荷膨脹率降低幅度最大，且有荷膨脹率與初始含水率仍表現出指數函數的關系；當初始含水率相同時，有荷膨脹率在風化砂摻入比例從0增加到10%時，降低幅度最大.

定義ξ為有荷膨脹率降低幅度：

式中：α0為某一初始含水率下，原狀土的有荷膨脹率，%；α50%為某一初始含水率下，風化砂摻量為50%時的有荷膨脹率，%.

比較不同上覆荷載下的有荷膨脹率變化情況（圖3）可以發現，增大風化砂改良膨脹土的初始含水率時，混合料的有荷膨脹率下降的幅值先增大后減小.當混合料的初始含水率大于最佳含水率時，有荷膨脹率下降的幅度又逐漸增大.當風化砂摻量一定時，隨著上覆荷載的提高，有荷膨脹率的降低幅度逐漸增大，這說明在較大的上覆荷載作用下，風化砂對膨脹性的抑制效果較好.

圖3 不同初始含水率下有荷膨脹率降低幅度Fig.3 The reduction magnitude of loaded expansion ratio under different initial water contents

4 結 論

（1）風化砂摻入膨脹土中，能顯著抑制膨脹土的吸水膨脹，摻風化砂改良后膨脹指標均顯著降低，達到了規范中對路基填料的要求.

（2）在同一風化砂摻量下，增大混合料的初始含水率，其有荷膨脹率逐漸減小，且二者滿足很好的指數函數關系.當初始含水率低于最佳含水率時，增大初始含水率，有荷膨脹率會出現較大幅度降低；當初始含水率超過最佳含水率時，有荷膨脹率降低不明顯.因此，從減小膨脹的角度出發，建議在進行風化砂改良膨脹土路基壓實時，應控制土體含水率等于或略大于（1%～2%）最佳含水率.

（3）在同一初始含水率下，有荷膨脹率隨著風化砂摻量的增加而逐漸下降，且當風化砂摻量由0增長至10%時，有荷膨脹率降低幅度最大.當初始含水率過大時，風化砂摻量對有荷膨脹率的影響較小.

（4）隨著初始含水率的增大，有荷膨脹率降低幅度呈現先增大后減小再繼續增大的過程，在較大的上覆荷載作用下，風化砂對膨脹性的抑制效果較好.

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